Потенциальная энергия это кратко
Обновлено: 05.07.2024
Энергия характеризует способность тела совершать работу. Натянутая тетива лука, сжатая пружина, поднятый с земли камень, сжатый газ при определённых условиях могут совершать работу.
1. Тела, поднятые над поверхностью земли (например, камень при падении с высоты образует на земле воронку).
3. Сжатые газы (расстояние между молекулами газа уменьшается, и увеличивается сила отталкивания между ними).
Огромной потенциальной энергией обладают воды водопада. Потенциальная энергия воды совпадает с работой силы притяжения Земли.
Потенциальная энергия накапливается в водах рек. Сила притяжения Земли производит работу, заставляя реки течь в более низко расположенное место — в море. Человек научился полезно использовать потенциальную энергию рек. В древние времена строили водяные мельницы, а с \(20\) века — гидроэлектростанции (ГЭС).
Гидроэлектростанция в Итайпу, находящаяся на границе между Бразилией и Парагваем на реке Парана, на сегодня является крупнейшим действующим сооружением такого рода в мире. У её плотины (через которую протекает вода) имеются шлюзы, состоящие из \(14\) ворот, через которые за секунду проходит \(62200\) кубометров воды.
Потенциальную энергию тела измеряют относительно некоторого условного уровня отсчёта, чаще всего относительно поверхности Земли. В таком случае принимают, что потенциальная энергия тела на поверхности Земли равна нулю.
Тело одновременно может обладать и потенциальной, и кинетической энергией, и они могут переходить одна в другую.
Человек, качающийся на качелях, обладает максимальной потенциальной энергией в наивысшей точке подъёма, в этой точке качели на мгновение замирают и, значит, в этот момент кинетическая энергия человека равна нулю.
При движении из состояния \(1\) в состояние \(2\), потенциальная энергия уменьшается, а кинетическая растёт (так как высота тела над уровнем земли уменьшается, а скорость движения тела возрастает).
Когда человек находится в самой нижней точке траектории движения \(2\), кинетическая энергия является наибольшей, так как в этот его момент скорость самая высокая. При движении из состояния \(2\) в состояние \(3\), увеличивается потенциальная энергия (так как увеличивается высота подъёма тела), а кинетическая энергия уменьшается (так как скорость движения тела уменьшается).
В замкнутой системе сумма кинетической и потенциальной энергии в любой момент времени остаётся неизменной.
Привязанный отвес на высоте \(h\) обладает максимальной потенциальной энергией, а кинетическая энергия (энергия движения) в это время равна \(0\).
Когда верёвку перерезают, отвес начинает свободно падать, высота уменьшается, а скорость увеличивается (с ускорением \(g\)), соответственно, потенциальная энергия уменьшается, а кинетическая энергия возрастает.
В каждый момент времени, до момента соударения, сумма потенциальной и кинетической энергии отвеса одинакова.
В момент соударения энергия отвеса не исчезает, она передаётся другому телу — гвоздю, который под воздействием этой энергии начинает движение, уходя глубже в брус. Некоторая часть энергии преобразуется во внутреннюю — тепловую энергию (так как отвес при соударении нагревается).
Например, в результате удара частички начинают двигаться интенсивнее — это проявляется в виде нагрева тела. При сжатии пружины изменяется потенциальная энергия частиц.
Натянутая резинка обладает потенциальной энергией, причиной этого является взаимное притяжение молекул.
энергия не исчезает и не возникает снова, она только преобразуется из одного вида энергии в другой вид энергии или переходит от одного тела к другому.
Энергия - важнейшее понятие в механике. Что такое энергия. Существует множество определений, и вот одно из них.
Что такое энергия?
Энергия - это способность тела совершать работу.
Кинетическая энергия
Рассмотрим тело, которое двигалось под действием каких-то сил изменило свою скорость с v 1 → до v 2 → . В этом случае силы, действующие на тело, совершили определенную работу A .
Работа всех сил, действующих на тело, равна работе равнодействующей силы.
F р → = F 1 → + F 2 →
A = F 1 · s · cos α 1 + F 2 · s · cos α 2 = F р cos α .
Установим связь между изменением скорости тела и работой, совершенной действующими на тело силами. Для простоты будем считать, что на тело действует одна сила F → , направленная вдоль прямой линии. Под действием этой силы тело движется равноускоренно и прямолинейно. В этом случае векторы F → , v → , a → , s → совпадают по направлению и их можно рассматривать как алгебраические величины.
Работа силы F → равна A = F s . Перемещение тела выражается формулой s = v 2 2 - v 1 2 2 a . Отсюда:
A = F s = F · v 2 2 - v 1 2 2 a = m a · v 2 2 - v 1 2 2 a
A = m v 2 2 - m v 1 2 2 = m v 2 2 2 - m v 1 2 2 .
Как видим, работа, совершенная силой, пропорционально изменению квадрата скорости тела.
Определение. Кинетическая энергия
Кинетическая энергия тела равна половине произведения массы тела на квадрат его скорости.
Кинетическая энергия - энергия движения тела. При нулевой скорости она равна нулю.
Теорема о кинетической энергии
Вновь обратимся к рассмотренному примеру и сформулируем теорему о кинетической энергии тела.
Теорема о кинетической энергии
Работа приложенной к телу силы равна изменению кинетической энергии тела. Данное утверждение справедливо и тогда, когда тело движется под действием изменяющейся по модулю и направлению силы.
A = E K 2 - E K 1 .
Таким образом, кинетическая энергия тела массы m , движущегося со скоростью v → , равна работе, которую сила должна совершить, чтобы разогнать тело до этой скорости.
A = m v 2 2 = E K .
Чтобы остановить тело, нужно совершить работу
A = - m v 2 2 =- E K
Потенциальная энергия
Кинетическая энергия - это энергия движения. Наряду с кинетической энергией есть еще потенциальная энергия, то есть энергия взаимодействия тел, которая зависит от их положения.
Например, тело поднято над поверхностью земли. Чем выше оно поднято, тем больше будет потенциальная энергия. Когда тело падает вниз под действием силы тяжести, эта сила совершает работу. Причем работа силы тяжести определяется только вертикальным перемещением тела и не зависит от траектории.
Вообще о потенциальной энергии можно говорить только в контексте тех сил, работа которых не зависит от формы траектории тела. Такие силы называются консервативными.
Примеры консервативных сил: сила тяжести, сила упругости.
Когда тело движется вертикально вверх, сила тяжести совершает отрицательную работу.
Рассмотрим пример, когда шар переместился из точки с высотой h 1 в точку с высотой h 2 .
При этом сила тяжести совершила работу, равную
A = - m g ( h 2 - h 1 ) = - ( m g h 2 - m g h 1 ) .
Эта работа равна изменению величины m g h , взятому с противоположным знаком.
Величина Е П = m g h - потенциальна энергия в поле силы тяжести. На нулевом уровне (на земле) потенциальная энергия тела равна нулю.
Определение. Потенциальная энергия
Потенциальная энергия - часть полной механической энергии системы, находящейся в поле консервативных сил. Потенциальная энергия зависит от положения точек, составляющих систему.
Можно говорить о потенциальной энергии в поле силы тяжести, потенциальной энергии сжатой пружины и т.д.
Работа силы тяжести равна изменению потенциальной энергии, взятому с противоположным знаком.
A = - ( E П 2 - E П 1 ) .
Ясно, что потенциальная энергия зависит от выбора нулевого уровня (начала координат оси OY). Подчеркнем, что физический смысл имеет изменение потенциальной энергии при перемещении тел друг относительно друга. При любом выборе нулевого уровня изменение потенциальной энергии будет одинаковым.
При расчете движения тел в поле гравитации Земли, но на значительных расстояниях от нее, во внимание нужно принимать закон всемирного тяготения (зависимость силы тяготения от расстояния до цента Земли). Приведем формулу, выражающую зависимость потенциальной энергии тела.
Здесь G - гравитационная постоянная, M - масса Земли.
Потенциальная энергия пружины
Представим, что в первом случае мы взяли пружину и удлинили ее на величину x . Во втором случае мы сначала удлинили пружину на 2 x , а затем уменьшили на x . В обоих случаях пружина оказалась растянута на x , но это было сделано разными способами.
При этом работа силы упругости при изменении длины пружины на x в обоих случаях была одинакова и равна
A у п р = - A = - k x 2 2 .
Величина E у п р = k x 2 2 называется потенциальной энергией сжатой пружины. Она равна работе силы упругости при переходе из данного состояния тела в состояние с нулевой деформацией.
В физике существует понятие энергия. Про энергию мы подробно и просто рассказали здесь , очень советую ознакомиться для лучшего понимания вопроса.
Традиционно, выделают несколько видов энергий : потенциальная, кинетическая, внутренняя, электромагнитная, гравитационная и другие более мудреные виды энергий. Их названия мы пока даже вспоминать не будем :).
Хочется сразу отметить, что физика до сих пор не может до конца определиться с тем, что есть такое энергия на самом деле . Но некоторая модель всё-таки сформирована. В процессе формирования общей логики каких только теорий и не было. Вплоть до того, что существует общее энергетическое поле и энергию можно использовать в разных целях. Эта концепция весьма напоминает теорию звёздных войн с их пониманием силы.
Итак, потенциальная энергия
Сегодня мы рассмотрим потенциальную энергию . Ведь именно со знакомства с потенциальной и кинетической энергиями обычно начинается знакомство с этим понятием в курсе физики.
Потенциальная энергия - это энергия, которую имеет тело или система тела в зависимости от положения тела (системы тела) в пространстве. Понятие потенциальной энергии может быть введено только тогда, когда тело (система тела) взаимодействует с временным полем потенциальных сил.
Сказано очень мудрено, но давайте упростим!
Гораздо легче представить это, если взять в руки обычный кирпич и поднять его над землей на некоторое высоту. Вы ощущаете, что если разожмете руку, то кирпич упадет и совершит некоторую работу. Именно так и ощущается потенциальная энергия . Ну а то, что тянет кирпич вниз - и есть то самое временное поле потенциальных сил. Эту специфику процесса можно распространить на любой процесс. Скажем, электрон тоже может обладать потенциальной энергией и логика строится таким же образом.
Используя однокоренное слово можно сказать, что потенциальная энергия - это тот потенциал, который имеет тело, удерживаемое в стабильном положении.
Потенциальная энергия возникает при различных типах взаимодействия :
- гравитационное - грубо говоря, подняли над землей, вот вам и потенциал
- электрическое - взаимодействие между частичками или даже силы трения
- упругое - энергия сжатой пружины
Логика везде примерно одинаковая. Есть что-то, чему появляется противодействие, а процесс противодействия порождает накопление потенциальной энергии. Вспоминаем тот самый камень в руках :). Остается только "щёлкнуть выключателем" и выпустить этот запас энергии. Как вода на плотине.
Потенциальная энергия, накопленная в телах, используется различными способами .
С доисторических времен использовалась потенциальная энергия упругости, накопленная в напряженной дуге - благодаря этой энергии можно бросать стрелы на большое расстояние.
Современные гидроэлектростанции преобразуют потенциальную энергию накопленной воды в электричество . Точный расчет потенциальной энергии позволяет планировать количество топлива, необходимое для размещения спутника на орбите или для поездки на Марс.
Если рассматривать систему из одного тела, то потенциальная энергия равна работе, которую вы должны сделать, чтобы переместить тело из фиксированной позиции. Поскольку, как правило, сила зависит от положения тела в пространстве, эта работа должна быть выражена в виде интеграла на кривой, вдоль которой смещается тело.
Если система тела имеет состояние устойчивого равновесия в определенной конфигурации, то для этой конфигурации потенциальная энергия системы имеет минимум .
Часто в этой конфигурации устанавливается нулевая потенциальная энергия. Представить себе этот процесс наглядно не так-то просто. Нужно сначала осознать понятие нулевого уровня. Например, если тело лежит на поверхности Земли, то его потенциальная энергия равна нулю. Для каждого рассматриваемого процесса есть такой нулевой уровень .
Единицей измерения энергии в СИ является Джоуль.
Потенциальная энергия принимается равной нулю для некоторой конфигурации тел в пространстве, выбор которой определяется удобством дальнейших вычислений. Процесс выбора данной конфигурации называется нормировкой потенциальной энергии.
Корректное определение потенциальной энергии может быть дано только в поле сил, работа которых зависит только от начального и конечного положения тела, но не от траектории его перемещения. Такие силы называются консервативными.
Также потенциальная энергия является характеристикой взаимодействия нескольких тел или тела и поля.
Любая физическая система стремится к состоянию с наименьшей потенциальной энергией.
Потенциальная энергия упругой деформации характеризует взаимодействие между собой частей тела.
Содержание
Потенциальная энергия в поле тяготения Земли
Потенциальная энергия в поле тяготения Земли вблизи поверхности приближённо выражается формулой:
где — масса тела, — ускорение свободного падения, — высота положения центра масс тела над произвольно выбранным нулевым уровнем.
О физическом смысле понятия потенциальной энергии
- Если кинетическая энергия может быть определена для одного отдельного тела, то потенциальная энергия всегда характеризует как минимум два тела или положение тела во внешнем поле.
- Кинетическая энергия характеризуется скоростью; потенциальная — взаиморасположением тел.
- Основной физический смысл имеет не само значение потенциальной энергии, а её изменение.
См. также
Ссылки
- ↑Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М.Теоретическая физика. — Издание 5-е, стереотипное. — М .: Физматлит, 2004. — Т. I. Механика. — 224 с. — ISBN 5-9221-0055-6
- Дополнить статью (статья слишком короткая либо содержит лишь словарное определение).
- Переработать оформление в соответствии с правилами написания статей. статью.
- Добавить иллюстрации.
Wikimedia Foundation . 2010 .
Полезное
Смотреть что такое "Потенциальная энергия" в других словарях:
потенциальная энергия — Энергия, которой обладает объект благодаря его положению в геопотенциальном поле. Например, потенциальная энергия первоначально расслоенного столба воды увеличивается по мере того, как энергия ветра перемешивает его и выносит более соленую… … Справочник технического переводчика
ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ — энергия взаимодействия тел; является частью полной механической энергии физ. системы, зависящей от взаимного расположения её частиц и от их положения во внешнем силовом поле (напр. гравитационном); др. частью полной механической системы является… … Большая политехническая энциклопедия
ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ — ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ, вид ЭНЕРГИИ, которой обладает тело, благодаря его положению на определенной высоте в ГРАВИТАЦИОННОМ ПОЛЕ Земли. Потенциальной энергией также является энергия, запасенная в такой системе, как сжатая пружина, или в… … Научно-технический энциклопедический словарь
ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ — часть общей механич. энергии системы, зависящая от взаимного расположения материальных точек, составляющих эту систему, и от их положений во внеш. силовом поле (напр., гравитационном; (см. ПОЛЯ ФИЗИЧЕСКИЕ). Численно П. э. системы в данном её… … Физическая энциклопедия
потенциальная энергия — ▲ энергия ↑ сила, физическое поле < > кинетическая энергия потенциальная энергия энергия, зависящая от положения во внешнем силовом поле. ↓ калорийность. взрыв. взорваться … Идеографический словарь русского языка
ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ — ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ энергия, часть общей механической энергии системы, зависящая от взаимного расположения ее частиц и от их положения во внешнем силовом (например, гравитационном) поле. В сумме с кинетической энергией потенциальная энергия составляет… … Современная энциклопедия
Потенциальная энергия — ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ, часть общей механической энергии системы, зависящая от взаимного расположения ее частиц и от их положения во внешнем силовом (например, гравитационном) поле. В сумме с кинетической энергией потенциальная энергия составляет… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ — часть общей механической энергии системы, зависящая от взаимного расположения ее частиц и от их положения во внешнем силовом (напр., гравитационном) поле … Большой Энциклопедический словарь
потенциальная энергия — [potential energy] часть общей механической энергия системы, зависящая от взаимного расположения частиц, составляющих эту систему, и от их положения во внешнем силовом поле (например, гравитационном). Численно потенциальная энергия системы равна… … Энциклопедический словарь по металлургии
потенциальная энергия — часть общей механической энергии системы, зависящая от взаимного расположения её частиц и от их положения во внешнем силовом (например, гравитационном) поле. * * * ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ, часть общей механической энергии… … Энциклопедический словарь
Читайте также: